一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子鴿尾部累積疲勞壽命預測方法
【專利摘要】一種基于Grover?Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子鴿尾部累積疲勞壽命預測方法，根據抽水蓄能電廠提供實際運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布作為載荷，通過動力學計算，分別得到發電電動機轉子鴿尾部在發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應力隨時間變化的分布情況；繪制在不同工況時最容易出現疲勞破壞點處的應力隨時間變化曲線，計算此處可使用的疲勞壽命次數；將已運行m年的發電電動機實際各種工況發生次數，及各種工況下疲勞壽命使用次數代入Grover?Manson準則計算公式，可分別考慮疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展，并根據裂紋形成及擴展過程計算得到該發電電動機轉子鴿尾部的疲勞壽命使用年限。
【專利說明】
一種基于G r o ve r -Ma n s on準則的抽水蓄能發電電動機轉子合鳥 尾部累積疲勞壽命預測方法
技術領域
[0001 ]本發明一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞 壽命預測方法，涉及抽水蓄能發電電動機轉子鴿尾部疲勞壽命預測領域。
【背景技術】
[0002] 抽水蓄能發電電動機有發電和電動兩種主要工況，其轉速高，單機容量大，且機組 啟停頻繁、轉子存在正反轉情況，運行工況復雜，運行環境較一般水輪發電機更惡劣，同時 隨著抽水蓄能電站運行年限的增長，使得發電電動機的故障和事故頻發，安全穩定問題日 益突出。
[0003] 目前對于抽水蓄能發電電動機轉子鴿尾部疲勞壽命預測的研究較少，由于發電電 動機存在發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工 況，各種工況對轉子鴿尾部的綜合作用形成應力載荷譜作為累積疲勞分析的載荷，再結合 一定的計算準則進行疲勞壽命預測。已有研究方法是通過靜力學計算得到每種工況的最大 應力分布，再將其作為載荷進行疲勞壽命預測，這種方法無法反映出應力分布隨時間變化 的情況。此外，也沒有通過計算準則對抽水蓄能發電電動機轉子鴿尾部進行疲勞壽命預測 的研究。
【發明內容】
[0004] 為解決上述技術問題，本發明提供一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電 電動機轉子鴿尾部累積疲勞壽命預測方法，根據抽水蓄能電廠提供實際不同運行工況下的 轉子速度曲線得到加速度分布作為載荷，通過動力學計算得到不同工況下離心力所引起的 應力隨時間變化的分布情況，并結合熱應力的作用，分別對各種工況單獨進行疲勞壽命使 用次數計算，根據已運行m年的發電電動機各種工況實際發生次數，應用Grover-Manson準 則將疲勞破壞分成疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展兩部分，實現了考慮各種工況共同影響的 累積疲勞壽命預測。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞壽命預 測方法，包括以下步驟：
[0007] 1)、根據抽水蓄能電廠提供實際運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動力學計算，分別得到發電電動機轉子鴿尾部在發電啟動工況、發電停機工況、 電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應力隨時間變化的 分布情況；
[0008] 2 )、由電磁損耗引起電機的溫度變化，而由此產生的熱應力與離心力引起的應力 進行矢量求和；
[0009] 3)、根據發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工 況、飛逸工況下的總應力分布情況，繪制在不同工況時最容易出現疲勞破壞點處的應力隨 時間變化曲線，并根據曲線計算此處可使用的疲勞壽命次數；
[0010] 4)、將已運行m年的發電電動機實際各種工況發生次數，及各種工況下疲勞壽命使 用次數代入Grover-Manson準則計算公式，可分別考慮疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展，并根 據裂紋形成及擴展過程計算得到該發電電動機轉子鴿尾部的累積疲勞壽命使用年限。
[0011 ] -種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞壽命預 測方法，包括以下步驟：
[0012]步驟1):建立電機1/2周期模型，采用有限元法進行電磁場-溫度場-結構場耦合數 值計算，通過對電磁場控制方程（1)_(3)和溫度場控制方程(4)(5)進行有限元數值計算得 到由電磁損耗引起的溫度穩態分布，再由溫度相比初始溫度的變化對方程(6)進行求解得 到熱應力分布情況；
(1) (2) (3)
[0016] 式中，％是渦流區(轉子繞組），V2為源電流區（定子繞組），〇為電導率，y為相對磁導 率，i,為源電流密度，Q為電磁損耗(包括源電流及渦流引起的損耗）。
(4) (S)
[0019]式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導率的各向異性參數;h為傳熱系數;T為 求解溫度;To為環境溫度。
[0021 ]式中，;[，」，1^=1，2,3;￡^為應變張量;0^為應力張量;0^,」為應力張量對坐標的偏 導數;E為彈性模量;v為泊松比4為熱膨脹系數；AT為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外 力的分量;m, j為位移對坐標的偏導數;S i」為應力因子，i = j時為1，i辛j時為0。
[0022]步驟2):根據抽水蓄能電廠提供實際發電啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電啟動工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
(7)
[0024] 式中，P為密度，m為位移，其余參數與公式(6)相同。
[0025] 步驟3):根據抽水蓄能電廠提供實際發電停機運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電停機工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0026] 步驟4):根據抽水蓄能電廠提供實際電動啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動啟動工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0027] 步驟5):根據抽水蓄能電廠提供實際電動停機運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動停機工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0028] 步驟6):根據抽水蓄能電廠提供實際甩負荷運行工況下的轉子速度曲線得到加速 度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到甩負荷工況下由轉子離心力所引起 的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0029] 步驟7):根據抽水蓄能電廠提供實際飛逸運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到飛逸工況下由轉子離心力所引起的應力 隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0030] 步驟8):根據步驟2)計算得到的發電啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出B點在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N 1;
(S)
[0032]式中：C和a為材料疲勞系數;0max為總應力變化曲線中的最大值;Omin為總應力變化 曲線中的最小值;，仏和分別為有效應力集中系數、零件尺寸系數、表面系數和平均 應力系數。
[0033]步驟9):根據步驟3)計算得到的發電停機工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次 數N2;
[0034]步驟10):根據步驟4)計算得到的電動啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次 數n3;
[0035] 步驟11):根據步驟5)計算得到的電動停機工況時轉子轉子3號鴿尾B點（如圖2所 示)處應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽 命次數N 4;
[0036] 步驟12):根據步驟6)計算得到的甩負荷工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應 力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數 Ns；
[0037] 步驟13):根據步驟7)計算得到的飛逸工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力 分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N 6; [0038] 步驟14):將步驟8)-13)計算出的結果Ni(i = l，2,3,…6)分別代入Grover-Manson 準則公式(9)和（10)，分別計算出發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機 工況、甩負荷工況、飛逸工況共六種工況下各自對應的裂紋擴展壽命A Ni和裂紋形成壽命 N〇i(i = l,2,3,---6)；
[0039] ANi = PNi0'6 (9)
[0040] 式中，化為六種工況單獨作用時的轉子鴿尾部疲勞壽命次數;P為材料系數，根據 《疲勞強度手冊》，P值取14;
[0041] N〇i = Ni-ANi (10)
[0042] 步驟15):結合運行m年的各種工況實際出現次數，將步驟14)計算結果代入公式 (11)，得到裂紋形成及擴展的評估系數Dc-m;
(11)
[0044] 式中，m (i = 1，2，3，…6)分別為運行m年出現的發電啟動工況、發電停機工況、電 動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況次數；
[0045] 步驟16):假設在運行xm年后裂紋形成，則有公式(12)可解得x的值；
[0046] xDg-m=1-Dg-m (12)
[0047] 步驟17):根據公式(13)求解裂紋的擴展壽命系數y;
(13)
[0049] 步驟18):根據公式(14)計算求得累積疲勞壽命年限Ner_r-M a_n。
[0050] N〇r over-Mans on - HI ( 1+X ) +Hiy ( 14 )
[0051 ]本發明一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞 壽命預測方法，優點在于：
[0052] 1)、根據抽水蓄能電廠提供實際運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動力學計算得到不同工況下離心力所引起的應力隨時間變化的分布情況，將不 同工況的應力變化以應力載荷譜的形式作為疲勞分析的激勵，可以考慮長期運行在不同工 況下的累積損傷對疲勞的綜合作用。比常規方法，通過靜力學計算出一個最大應力作為疲 勞壽命計算載荷更符合實際情況，更準確。
[0053] 2)、與電磁損耗引起的溫度變化及由此產生熱應力進行矢量求和，考慮總應力對 疲勞的影響，也更符合實際工況。
[0054] 3)、由于在電機設計階段，無法預知每年實際發生的六種工況（即發電啟動工況、 發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況）的具體次數，只能對 其關鍵部件的疲勞壽命做簡單預測，本方法將電機實際運行時間中的已知各種工況發生次 數代入計算中，再對鴿尾部的疲勞壽命進行預測，得到的結果更合理更準確。
[0055] 4)、Gr〇ver-ManS〇n準則不同于其他準則，將疲勞破壞分成疲勞裂紋形成和疲勞裂 紋擴展兩部分，可以讓電機運行管理者更清楚地知道裂紋形成初期以及裂紋發展到何種程 度，可以更好地制定電機大修計劃。
【附圖說明】
[0056] 圖1是發電電動機1/2周期模型結構示意圖。
[0057] 圖2是轉子纟鳥尾局部放大示意圖。
[0058]圖3是電機轉子穩態溫度分布圖。
[0059]圖4是電機轉子熱應力分布圖。
[0060]圖5是發電啟動工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[00611圖6是發電停機工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[0062]圖7是電動啟動工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[0063]圖8是電動停機工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[0064]圖9是甩負荷工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[0065]圖10是飛逸工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
【具體實施方式】
[0066] -種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞壽命預 測方法，包括以下步驟：
[0067] 1)、根據抽水蓄能電廠提供實際運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布作為 載荷，通過動力學計算，分別得到發電電動機轉子鴿尾部在發電啟動工況、發電停機工況、 電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應力隨時間變化的 分布情況；
[0068] 2)、由電磁損耗引起電機的溫度變化，而由此產生的熱應力與離心力引起的應力 進行矢量求和；
[0069] 3)、根據發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工 況、飛逸工況下的總應力分布情況，繪制在不同工況時最容易出現疲勞破壞點處的應力隨 時間變化曲線，并根據曲線計算此處可使用的疲勞壽命次數；
[0070] 4)、將已運行m年的發電電動機實際各種工況發生次數，及各種工況下疲勞壽命使 用次數代入Grover-Manson準則計算公式，可分別考慮疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展，并根 據裂紋形成及擴展過程計算得到該發電電動機轉子鴿尾部的累積疲勞壽命使用年限。
[0071 ] -種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞壽命預 測方法，包括以下步驟：
[0072]步驟1):建立電機1/2周期模型，采用有限元法進行電磁場-溫度場-結構場耦合數 值計算，通過對電磁場控制方程（1)_(3)和溫度場控制方程(4)(5)進行有限元數值計算得 (16) 到由電磁損耗引起的溫度穩態分布，再由溫度相比初始溫度的變化對方程(6)進行求解得 到熱應力分布情況；
[0076] 式中，％是渦流區(轉子繞組），V2為源電流區（定子繞組），〇為電導率，y為相對磁導 率，為源電流密度，Q為電磁損耗(包括源電流及渦流引起的損耗）。 (17)
(18) (卜)）
[0079]式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導率的各向異性參數;h為傳熱系數;T為 求解溫度;To為環境溫度。
(20)
[0081 ]式中，;1，」，1^=1，2,3;￡^為應變張量;〇^為應力張量;〇^,」為應力張量對坐標的偏 導數;E為彈性模量;v為泊松比4為熱膨脹系數；AT為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外 力的分量;m, j為位移對坐標的偏導數;Si」為應力因子，i = j時為1，i辛j時為〇。
[0082]步驟2):根據抽水蓄能電廠提供實際發電啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電啟動工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； (21)
[0084] 式中，P為密度，m為位移，其余參數與公式(6)相同。
[0085] 步驟3):根據抽水蓄能電廠提供實際發電停機運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電停機工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0086] 步驟4):根據抽水蓄能電廠提供實際電動啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動啟動工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0087] 步驟5):根據抽水蓄能電廠提供實際電動停機運行工況下的轉子速度曲線得到加 速度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動停機工況下由轉子離心力所引 起的應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0088] 步驟6):根據抽水蓄能電廠提供實際甩負荷運行工況下的轉子速度曲線得到加速 度分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到甩負荷工況下由轉子離心力所引起的 應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0089] 步驟7):根據抽水蓄能電廠提供實際飛逸運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到飛逸工況下由轉子離心力所引起的應力 隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；
[0090] 步驟8):根據步驟2)計算得到的發電啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出B點在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N 1;
(22)
[0092]式中：C和a為材料疲勞系數;0max為總應力變化曲線中的最大值;Omin為總應力變化 曲線中的最小值;，仏和分別為有效應力集中系數、零件尺寸系數、表面系數和平均 應力系數。
[0093]步驟9):根據步驟3)計算得到的發電停機工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次 數N2;
[0094]步驟10):根據步驟4)計算得到的電動啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次 數N3;
[0095] 步驟11):根據步驟5)計算得到的電動停機工況時轉子轉子3號鴿尾B點（如圖2所 示)處應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽 命次數N 4;
[0096] 步驟12):根據步驟6)計算得到的甩負荷工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應 力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數 Ns；
[0097] 步驟13):根據步驟7)計算得到的飛逸工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力 分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N 6;
[0098] 步驟14):將步驟8)-13)計算出的結果Ni(i = l，2,3,…6)分別代入Grover-Manson 準則公式(9)和（10 )，分別計算出發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工 況、甩負荷工況、飛逸工況共六種工況下各自對應的裂紋擴展壽命A Ni和裂紋形成壽命N0i (i = l，2,3，."6);
[0099] AN^PN；-6(23)
[0100]式中，K為六種工況單獨作用時的轉子鴿尾部疲勞壽命次數;P為材料系數，根據 《疲勞強度手冊》，P值取14;
[0101] N〇i = Ni-ANi (24)
[0102] 步驟15):結合運行m年的各種工況實際出現次數，將步驟14)計算結果代入公式 (11)，得到裂紋形成及擴展的評估系數Dc-m;
(25)
[0104] 式中，m(i = l，2,3,…6)分別為運行m年出現的發電啟動工況、發電停機工況、電 動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況次數；
[0105] 步驟16):假設在運行xm年后裂紋形成，則有公式(12)可解得x的值；
[0106] xDg-m=1-Dg-m (26)
[0107]步驟17):根據公式(13)求解裂紋的擴展壽命系數y;
(27)
[0109] 步驟18):根據公式(14)計算求得累積疲勞壽命年限Ner_r-M a_n。
[01 10] Ncrover-Manson - HI ( 1+X ) +IIiy (28)
[0111] 圖3是電機轉子穩態溫度分布圖。在步驟1)中進行了電磁場-溫度場的耦合計算后 得到的溫度分布云圖；
[0112] 圖4是電機轉子熱應力分布圖。在步驟1)中得到溫度分布(如圖3)后，作為載荷加 載到結構場進行計算，得到溫度引起的形變情況，即熱應力分布情況；
[0113] 圖5是發電啟動工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟2)中計算得 到電機在發電啟動工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分 布，繪制出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線；
[0114] 圖6是發電停機工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟3)中計算得 到電機在發電停機工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分 布，繪制出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線；
[0115] 圖7是電動啟動工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟4)中計算得 到電機在電動啟動工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分 布，繪制出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線；
[0116] 圖8是電動停機工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟5)中計算得 到電機在電動停機工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分 布，繪制出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線；
[0117] 圖9是甩負荷工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟6)中計算得到 電機在甩負荷工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分布， 繪制出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線；
[0118] 圖10是飛逸工況時轉子3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。步驟7)中計算得到電 機在飛逸工況下的轉子離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和，得到總應力分布，繪制 出圖2中3號鴿尾B點處應力隨時間變化曲線。
[0119] 具體算例：以廣蓄B廠8#機組為例
[0120] 首先建立電機的1/2周期模型如圖1、2所示，按照步驟1)對電機電磁場、溫度場、結 構場進行有限元數值計算，得到其轉子的穩態溫度分布如圖3所示，再得到溫度引起的熱應 力分布如圖4所示。
[0121] 根據步驟2)_步驟7)分別將轉子鴿尾部在發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動 工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況下離心力引起的應力與熱應力進行矢量求和， 得到各種工況的總應力分布，并繪制出圖2中3號鴿尾B點應力隨時間變化曲線，如圖5-10所 示。再根據以上各工況應力分布曲線分別計算出B點在發電啟動工況疲勞壽命使用次數他 為45320次，發電停機工況疲勞壽命使用次數為犯為149300次，電動啟動工況疲勞壽命使用 次數N 3為217500次，電動停機工況疲勞壽命使用次數N4為362000次，甩負荷工況疲勞壽命使 用次數地為8991次，飛逸工況疲勞壽命使用次數N 6為781次。
[0122] 根據廣蓄#8機組歷年運行統計數據，自2000年3月14日#8機組投運起，至2012年2 月22日機組開始大修為止，#8機組運行時間m為13年，發電啟停m和112各9543次，電動啟停m 和n 4各8286次，甩負荷115為26次，飛逸n6為0次。由于飛逸工況為0，僅需考慮其余五種工況， 根據步驟14)計算得到五種工況下的裂紋擴展壽命△化(1 = 1，2,3，一6)，根據《疲勞強度手 冊》，P = 14: 'm, = 14 x 45320-6 = 8707.7 AA': -14x149300°6 -17805.9
[0123] | AM：3 = 14x：2175：〇〇0'6 = 22315 J A；V4 - 14x362000"6 -30293.8 = 14x89911'6 =3299.2
[0124] 及五種工況下的裂紋形成壽命N〇i(i = 1，2，3，…已）： Xi = 45320-8707.7 = 36612.3 N.l2 = 149300 - 17805.9 = 131494.1
[0125] = 217500 - 22315.3 = 195185.7 = 362000 - 30293.8 = 331706.2 /V!|S =8991-3299.2 = 5691.8
[0126] 對于裂紋形成階段，根據步驟15)，計算裂紋形成及擴展的評估系數Dc-m:
[0128] 即經過m= 13年運行后，以Grover-Manson準則可知裂紋尚未形成，假設在運行13x 年后裂紋形成，根據步驟16)，計算x:
[0129] 0.4034x = 1-0.4034
[0130] 解得，x~1.48,繼續根據步驟17)求解裂紋的擴展壽命系數y為：
[0132] 解得，y~0.439,則根據步驟18)計算得到總壽命為：
[0133] NGr_r-Ma_n= 13 X (1+1 ? 48)+13 X 0 ? 439 = 37 ? 947# 〇
【主權項】
1. 一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾部累積疲勞壽命預測 方法，其特征在于包括以下步驟： 1)、根據抽水蓄能電廠提供實際運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布作為載 荷，通過動力學計算，分別得到發電電動機轉子鴿尾部在發電啟動工況、發電停機工況、電 動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況下離心力所引起的應力隨時間變化的分 布情況； 2 )、由電磁損耗引起電機的溫度變化，而由此產生的熱應力與離心力引起的應力進行 矢量求和； 3) 、根據發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛 逸工況下的總應力分布情況，繪制在不同工況時最容易出現疲勞破壞點處的應力隨時間變 化曲線，并根據曲線計算此處可使用的疲勞壽命次數； 4) 、將已運行m年的發電電動機實際各種工況發生次數，及各種工況下疲勞壽命使用次 數代入Grover-Manson準則計算公式，可分別考慮疲勞裂紋形成和疲勞裂紋擴展，并根據裂 紋形成及擴展過程計算得到該發電電動機轉子鴿尾部的累積疲勞壽命使用年限。2. 根據權利要求1所述一種基于Grover-Manson準則的抽水蓄能發電電動機轉子纟鳥尾 部累積疲勞壽命預測方法，其特征在于包括以下步驟：式中，渦流區（轉子繞組），V2為源電流區（定子繞組），〇為電導率，μ為相對磁導率， 為源電流密度，Q為電磁損耗，包括源電流及渦流引起的損耗； 步驟1):建立電機1/2周期模型，采用有限元法進行電磁場-溫度場-結構場耦合數值計 算，通過對電磁場控制方程（1)-(3)和溫度場控制方程(4)(5)進行有限元數值計算得到由 電磁損耗引起的溫度穩態分布，再由溫度相比初始溫度的變化對方程(6)進行求解得到熱 應力分亦愔;V,， (1) (2) (3)(4) (3> 式中，Q為能量損耗;kx，ky，kz分別表示熱導率的各向異性參數;h為傳熱系數;T為求解 溫度;To為環境溫度； (6) 式中，i，j，k = I，2，3; ￡ij為應變張量;Oij為應力張量;〇ij, j為應力張量對坐標的偏導數； E為彈性模量;V為泊松比；β為熱膨脹系數；△ T為溫度相比初始溫度的變化量;Fi為外力的 分量;m, j為位移對坐標的偏導數;Sij為應力因子，i = j時為I，i辛j時為〇; 步驟2):根據抽水蓄能電廠提供實際發電啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電啟動工況下由轉子離心力所引起的 應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力；(7) 式中，P為密度，m為位移，其余參數與公式(6)相同； 步驟3):根據抽水蓄能電廠提供實際發電停機運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到發電停機工況下由轉子離心力所引起的 應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； 步驟4):根據抽水蓄能電廠提供實際電動啟動運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動啟動工況下由轉子離心力所引起的 應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； 步驟5):根據抽水蓄能電廠提供實際電動停機運行工況下的轉子速度曲線得到加速度 分布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到電動停機工況下由轉子離心力所引起的 應力隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； 步驟6):根據抽水蓄能電廠提供實際甩負荷運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分 布作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到甩負荷工況下由轉子離心力所引起的應力 隨時間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； 步驟7):根據抽水蓄能電廠提供實際飛逸運行工況下的轉子速度曲線得到加速度分布 作為載荷，通過動力學計算公式(7)，求解得到飛逸工況下由轉子離心力所引起的應力隨時 間分布，并與步驟1)計算得到的熱應力進行矢量求和，得到該工況下總應力； 步驟8):根據步驟2)計算得到的發電啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力 分布曲線，由公式(8)計算出B點在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N1; (8) 式中：C和a為材料疲勞系數;Omax為總應力變化曲線中的最大值;Omin為總應力變化曲線 中的最小值;Κσ，ε。，0。和1^分別為有效應力集中系數、零件尺寸系數、表面系數和平均應力 系數； 步驟9):根據步驟3)計算得到的發電停機工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力 分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N2; 步驟10):根據步驟4)計算得到的電動啟動工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力 分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N3; 步驟11):根據步驟5)計算得到的電動停機工況時轉子轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處 應力分布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次 數N4; 步驟12):根據步驟6)計算得到的甩負荷工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力分 布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N5; 步驟13):根據步驟7)計算得到的飛逸工況時轉子3號鴿尾B點（如圖2所示)處應力分 布曲線，由公式(8)計算出轉子鴿尾部在此種工況運行情況下可使用的疲勞壽命次數N6; 步驟14):將步驟8)-13)計算出的結果Ni(i = 1，2,3,…6)分別代入Grover-Manson準則 公式(9)和（10 )，分別計算出發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動工況、電動停機工況、 甩負荷工況、飛逸工況共六種工況下各自對應的裂紋擴展壽命A Ni和裂紋形成壽命NQi(i = 1,2,3,···6); ANi = PNi0'6 (9) 式中，N1為六種工況單獨作用時的轉子鴿尾部疲勞壽命次數;P為材料系數，根據《疲勞 強度手冊》，P值取14; Noi = Ni-ANi (10) 步驟15):結合運行m年的各種工況實際出現次數，將步驟14)計算結果代入公式（11)， 得到裂紋形成及擴展的評估系數Dc-m;(Π ) 式中，m(i = l，2,3,…6)分別為運行m年出現的發電啟動工況、發電停機工況、電動啟動 工況、電動停機工況、甩負荷工況、飛逸工況次數； 步驟16):假設在運行xm年后裂紋形成，則有公式(12)可解得X的值； xDg-m=1-Dg-m (12) 步驟17):根據公式(13)求解裂紋的擴展壽命系數y;(B) 步驟18):根據公式(14)計算求得累積疲勞壽命年限N(；r_r-Man_，
【文檔編號】G06F17/50GK105893713SQ201610331426
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】張宇嬌, 劉東圓, 黃雄峰, 徐彬昭, 吳剛梁
【申請人】三峽大學